1、第八章 热电式传感器本章要点:1.热电偶温度计的原理、基本定律和准确测量的关键技术2.热电阻温度计原理和减小误差的措施 热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。常用的有热电偶（t E）和热电阻（t R）。在工业生产中已得到广泛应用，并有与其相配套的显示仪表和记录仪表。第一节 热电偶 是将温度量转换为电势大小的热电式传感器。自19世纪发现热电效应以来，已广泛用于测量1001300C范围内的温度。根据需要还可以用来测量更高或更低的温度。它具有结构简单，使用方便，精度高，热惯性小，可测局部温度和便于远距离传送与集中检测、自动记录等优点。一、工作原理 1.热电效应1823年塞贝克（Seebe
2、ck）发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中就要产生热电势，称为塞贝克电势塞贝克电势。这种物理现象称为热电效应热电效应。在测量技术中，把由两种不同材料构成的热电转换元件称为热电偶，A、B导体为热电极，两接点一个为热端（T），又称工作端。另一个为冷端(T0)，又称自由端或参考端。实验证明：热电势为ABTT0)T(e)T(e)T,T(E0ABAB0AB 热电势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成。(1）接触电势：珀尔帖(Peltier)效应将同温度的两个不同金属互相接触，其接点处产生的电动势称珀尔帖电势，又称接触电势。根据电子理论有BA00ABNNlne
3、kT)T(e BAABNNlnekT)T(e BA00ABAB0ABNNln)TT(ek)T(e)T(e)T,T(E 一一一eAB（T）AB+u单点：回路：（2）同一导体中的温差电势：汤姆逊效应（Thomson）假设在一匀质导体的一端加热。当这一电场对电子的作用力与扩散力相平衡时，扩散作用即停止。电场产生电势为汤姆逊电势，或称温差电势。一一一eA（T，T0）uTT0 TTA0A0dT)T,T(e TTB0B0dT)T,T(e TTBATTBTTA0B0AAB000dT)(dTdT)T,T(e)T,T(eE 称汤姆逊系数，回路：单点：温差电势的大小与导体的性质和两端的温差有关。eAB(T)热端分
4、热电势，eAB(T0)冷端分热电势。热电极的极性规定：EAB(T,T0)写在前面的A,T分别为正极和高温，后面的B,T0分别为负极和低温。)T(e0AB)T(eAB dT)T,T(eTTA0A0 dT)T,T(eTTB0B0 +)T(e)T(edT)T(edT)T(edT)T(e)T(e)T,T(E0ABABT0BA0ABT0BAABTTBA0ABAB0AB00 )T,T(E)T,T(E)T,T(E)T,T(E0AB0BA0AB0AB 总电势为：(1)如果热电偶两个电极的材料相同，二个接点温度不同，不会产生电势。(2)如果二个电极的材料不同，但两接点温度相同，也不会产生电势。(3)当热电偶二个
5、电极的材料不同，且A、B固定后，热电势EAB(T,T0)便为二接点温度T和T0的函数，即)T(c)T(e)T,T(E0AB )T(e)T(e)T,T(E00AB 当T0保持不变，即e(T0)为常数时，则热电势EAB(T,T0)便为热电偶热端温度T的函数。2.基本定律(1)均质导体定律两种均质金属组成的热电偶，其电势大小与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关。(2)中间导体定律 在热电偶回路中插入第三、四种导体，只要插入导体的两端温度相等，且插入导体是匀质的，则无论插入导体的温度分布如何，都不会影响原来热电偶的热电势的大小。T0T0TABCmV（可接入毫伏
6、表而不影响输出）(3)中间温度定律热电偶在接点温度为T，T0时的热电势等于该热电势在接点温度为T，Tn和Tn，T0时相应的热电势的代数和，即)T,T(E)T,T(E)T,T(E0nABnAB0AB )0,T(E)T,T(E)0,T(EnABnABAB 用于冷端温度补偿和贵金属的补偿。当T0=0时，(4)参考电极定律当结点温度为T，T0时，用导体AB组成的热电偶的热电势等于AC热电偶和CB热电偶的热电势的代数和，即TT0ABCCEAB(T,T0)T,T(E)T,T(E)T,T(E0CB0AC0AB C为标准电极（一般为铂制成）。镍铬镍硅(镍铝)热电偶的分度表（部分）(参考端温度为0C)分度号K热
7、电动势(mV)测量端测量端温度温度C0123456789-50-1.86-0-0.00-0.04-0.08-0.12-0.16-0.20-0.23-0.27-0.31-0.35+00.000.040.080.120.160.200.240.280.320.36200.800.840.880.920.961.001.041.081.121.16301.201.241.281.321.361.411.451.491.531.5793038.5338.5738.61 38.6538.6938.73 38.77 38.81 38.8338.8994038.9338.9739.01 39.0539.09
8、39.13 39.16 39.20 39.2439.2897040.1040.1440.18 40.2240.2640.30 40.33 40.37 40.4140.45129052.0252.0652.09 52.1352.1652.20 52.23 52.27 52.3052.33二、热电偶冷端温度及其补偿1.冷端温度修正法对于冷端温度不等于零，但能保持恒定不变的情况，可采用修正法。（1）热电势修正法（有分度表）由中间温度定律，将电势换算到冷端为0C，有)0,T(E)T,T(E)0,T(EnABnABAB 例：用镍铬镍硅热电偶测炉温，当冷端温度T0=30C时，测得热电势为E(T,T0)=3
9、9.17mV，则实际炉温是多少度?由T0=30C查分度表得E(30,0)=1.2mV，则E(T,0)=E(T,30)+E(30,0)=39.17+1.2=40.37mV再用40.37mV查分度表的977C，即实际炉温为977C。若直接用测得的热电势39.17mV查分度表则其值为946C，比实际炉温低31 C，产生-31C的测量误差。（2）温度修正法（要知k）令T 为仪表的指示温度，T0为冷端温度，则被测的真实温度T=T+kT0，k为热电偶的修正系数，决定于热电偶种类和被测温度范围。例：上例中测得炉温为946 C(39.17mV)，冷端温度为30 C，查表k=1.00，则 T=946+1 30=
10、976 C 与用热电势修正法所得结果相比，只差1 C，因而工程上应较为广泛。2.延引热电极法在0100C范围内让ECD(T,0)=EAB(T,0)，由中间温度定律知，C、D接入不会引起附加误差。注意：a.不同的热电偶必须用相应的补偿导线；b.T 必须相同，且不应超过规定温度范围（一般为0100C）；c.延伸导线只是移动了冷接点的位置，当该处温度T0 0C是，仍须进行冷端温度补偿。3.冷端温度自动补偿法ABCD铜线TT T T0引用延伸电极或冷端延长线或冷端补偿导线，三、常用热电偶铂铑10铂热电偶，镍铬镍硅热电偶，镍铬考铜热电偶等热电偶图第二节 热电阻利用感温电阻，把测量温度转化成测量电阻的电阻
11、式测温系统。常用于测量 200500C范围内的温度，它是利用热电阻和热敏电阻的电阻率温度系数而制成的温度传感器。用金属导体或半导体制成的传感器分别称为金属电阻温度计和半导体电阻温度计。一、金属热电阻一）工作原理、结构和材料比较常用的材料有：铂、铜、铁和镍。1.铂热电阻在0630.755 C内,在1900 C内,00ttt1RR 320t20tt)100t(CBtAt1RRBtAt1RR 大多数金属导体的电阻都具有随温度变化的特性，方程为对W(100)=1.391 有A=3.96847 10-3/C,B=-5.847 10-7/C,C=-4.22 10-12/C对W(100)=1.389 有A=
12、3.94851 10-3/C,B=-5.847 10-7/C,C=-4.22 10-12/C2.铜热电阻（在-50150C范围内的工业用电阻温计）=(4.254.28)10-3/C,则3.铁和镍应用较少 000ttt1RR 二)测量电路常用电桥电路，精度较高的是自动电桥。为了消除由于连接导线随环境温度变化而造成的测量误差，常采用三线和四线连接法。二、半导体热敏电阻热敏电阻是由某些金属氧化物按不同的配方比例烧结制成地。一般说，半导体比金属具有更大的电阻温度系数。半导体热敏电阻包括正温度系数（PTC），负温度系数（NTC），临界温度系数（CTR）等几类。热敏电阻图热敏电阻的主要特性：1.温度特性（为指数关系）若已知两个电阻值及相应的温度，便可求出A、B常数TBTAeR 1121ln1221TBTTTeRARRTTTTB2.伏安特性 U=f(I)在稳定情况下，通过热电阻的电流I与其两端之间的电压U的关系称热敏电阻的伏安特性。3.安时特性表示热敏电阻在不同的外加电压下，电流达到稳定最大值所需要的时间。
